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1、第二章紧凑式换热器的设计、校核、性能分析板翅式和主表面型换热器由于具有体积小、重量轻、效率高等突出优点，在工业上应用很广泛，它们的设计、校核、性能分析对工业的发展起着很重要的作用。随着现代科学技术和生产的迅速发展，对产品设计质量和速度提出越来越高的要求，传统手工设计已无法适应发展的需要，运用面向对象的计算机辅助设计技术可以提高设计效率、缩短设计周期，可对产品进行精确的计算分析，采用先进的现代设计方法，获得最佳设计方案，提高设计质量，并有助于促进产品设计的标准化、系列化、加速产品的开发，提高市场竞争力。2.1 软件的系统结构随着计算机技术的发展，换热器的设计软件层出不穷，但传统的换热器设计软件一
2、般只涉及换热器的某一两方面，或仅仅只能实现常规工况下的换热器设计，或包括设计和校核，或包含换热器的设计计算和绘图输出，或是换热器的设计和优化，这些软件虽说能实现换热器的某些功能，但内容都比较单一，不能满足人们对换热器的需求。一个功能完善的换热器软件应包括换热器的设计、校核、性能分析、优化及参数化绘图。换热器要应用于生产中，首先要对换热器进行设计，因此换热器的设计是换热器软件最主要也是最基本的功能C其中，不仅要对设计常规工况下的换热器进行设计，也要对多工况下的换热器进行设计，因为在实际生产中，换热器的运行工况是变化的。而且对于可选择的换热型面，不仅可以对标准型面进行设计，还应可以对通过实验获得性
3、能的新型面进行设计，即将新型面能扩展到该软件中，扩展性是软件很重要的一个功能。在实际生活中，有时人们不能通过实验获得某一新型面的换热及阻力性能，但人们又希望能够了解该型面的性能，因此通过软件对新型面进行性能预测是很必需的。换热器设计好之后，能不能确实满足生产需求，需对换热器进行校核设计。换热器的优化是换热器设计的一个很重要的方面，运用优化方法对某一目标进行优化，使所设计的换热器各参数达到最优，使之最适合该场合的应用。换热器的性能曲线是换热器经济、安全运行的保证，分析换热器的性能曲线（包括稳态性能曲线和动态性能曲线），对换热器的运行起着指导性的作用。稳态性能曲线是换热器在运行中由一个工况变化到另
4、一个工况时各参数的变化规律，动态性能曲线是换热器启动时,各参数如两侧的出口温度是如何随时间进行变化的。掌握了这些规律，就可对换热器的各参数进行调节，使换热器始终处于安全、最佳运行状态。换热器设计完之后，人们希望能输出图纸进行加工，因此参数化绘图也是换热器软件最基本的功能。一个功能完善的换热器设计软件应包含如图2-1所示的功能。图21软件系统结构示意图本文围绕上述内容编制了集换热器的设计、校核、性能分析和优化于一体的综合设计软件,其具体内容如下所述(虚线所示内容本文未开发)。2.2 紧凑式换热器的设计换热器的设计是指已知工质的进出口温度、流量，用户根据换热量和压降要求选择合适的换热器型面，并设计
5、出它的尺寸。换热器的设计模块包括初参数输入模块、换热面选型模块、流动方式模块和设计结果模块C其中，初参数输入模块包括常规设计和虚拟工况设计；换热面选型模块包括数据库中已有的标准换热器型面、用户通过实验获得无量纲传热因子j、摩擦因子f的自定义换热器型面以及还没有获得j、f因子的换热器型面。2.2.1 数学模型1、传热计算(1)、板翅式换热器的翅片效率板翅式换热器属于间壁式换热器，从传热机理来说，它的主要特点是具有扩展的二次传热面，所以传热过程不仅在一次传热面而且也同时在二次传热面进行，取一个翅片间距的微小单元如图2-2所示。图2-2翅片结构图一次传热面的换热量QI为Ql=aF1(w-tf)1Wj
6、(21)式中：a隔板表面与流体间对流换热系数(j/kgk),次传热面积，指隔板表面的传热面积(m),M隔板表面温度(C。)，j流体温度(C。)。Q.二次传热面的换热量。为：.2=aF2(rm-tf)IZ式中：a一翅片表面与流体间对流换热系数(“kg”与式(21)的a相同，Rt/一一二次传热面积，指翅片表面的传热面积(m),m翅片表面平均温度(Co)o翅片表面的平均温度m低于翅片根部，也就是低于隔板表面温度M，o在传热计算上为便于处理，可以把二次表面的传热量作如下变换：Q2=aF2hf(w-tf)H一翅片效率。hf/(2-4)由上式可以看出，翅片效率是二次传热面的实际平均传热温差和一次传热面传热
7、温差的比值，根据热传导定理,经数学方法处理，翅片效率转化为:stb6tanhr二mbhf(25)(26)式中：翅片的导热系数(jkgk),翅片厚度(m),定型尺寸(m)o定型尺寸力是代表二次表面热传导的最大距离，它与冷、热通道的排列有关。图2-3、24、25表示了三种不同排列情况下的值。1图2-3冷热通道间隔图2-4二个热通道之间隔二个冷通道定型尺寸b=H2定型尺寸bl=Hlb2=H2L图2-5二个热通道之间隔三个冷通道定型尺寸bl=Hlb2=(Hl+H2+H3)/2b3=H3(2)翅片表面的总效率对于两股流的热交换器，当一个热通道和一个冷通道间隔排列时，它们的传热量为一次传热量和二次传热量之
8、和，即：，O=*Ly)+a尸2%L-tf)一/)以总传热面积为基准时，传热方程式为：=a(F,+F2hz)(fw-fz)=aFh0(w-tf)(28)力O所以翅片表面的总效率-=-*(I- 3)=1-(1-3)(2-9)式中：X一翅片内距(m),翅片内高(m)。(3)传热量和传热系数板翅式热交换器中冷、热流体的传热方程式为：2f(-QQhfFhhhW)上式中，Q。、Qh一分别为壁面对冷流体的放热量和热流体对壁面的放热量(J),九、3分别为冷、热流体与壁面间的对流换热系数(JkgK),尸c、Fh分别为冷、热流体通道总传热面积(m2),Ic、hh分别为冷、热流体通道翅片表面总效率，%、G分别为冷、
9、热流体温度(C。)，壁面温度(C。)。在稳定传热条件下，Qa,忽略翅片及隔板热阻，将上两式变换、相加可得：Qij(7-7)a3%acFchoe(212)=KcFcDtlm(213)QKhFhDLm(214)所以以冷、热通道总传热面积为基准时的、鸟传热系数为：aJ1ocaJ1OhFh(215)ahohacocFC(2_16)主表面式传热计算的基本方程式：QKFDtm(217)传热系数11d+aa2/(218)2阻力计算换热器的阻力主要由入口端、出口端、和中心部分三个部分组成。(1)热交换器芯子入口的阻力这是由于导流片出口到翅片入口的流通截面变化而造成的。DRt(ld2)+Kct2rI2rI(21
10、9)式中：一入口处压力降(Pa),f入口处流体密度(kgm3),G流体在板束的质量流速(kgm2s),d热交换器一侧的自由通流面积与迎风面积之比，KC入口损失系数。(2) (2)热交换器芯子出口的阻力这是由于翅片出口到导流片入口的流通截面变化而引起的。DPi-(1-d2)+Ke-2r2r2(2-20)式中：DG一出口的压力回升(Pa),一-出口处流体密度(kgr3),6出口损失系数。(3) (3)热交换器芯子中阻力它主要由传热面形状的改变而产生的阻力和摩擦阻力组成。CnO21aBLr1uDR=e2c-1+c-u2reef20e40rm&21)通道当量直径式中：f摩擦系数，L一热交换器芯子长度(
11、m),fJ2(m)1，e流体平均密度(kgm3),m2o总的压力降DP为三者之和：DP=DP1-DP2+DP3*_22)2.2.2设计步骤1板翅式换热器的设计步骤选择一种合适的翅片型式与参数，确定通道排列，用对数平均温差或传热有效度-传热单元数法最终确定所设计的板翅式热交换器的传热系数和传热面积，并核算其压降应不超过允许压降。具体设计步骤可归纳如下：(1)据工作条件确定热交换器中的流动型式，如逆流、错流或混合流等；(2)选定翅片型式及其几何参数；(3)选定一个单元体翅片有效宽度，计算一排通道的截面积、每排通道的换热面积等；(4)根据定性温度、压力查取流体物性参数值；(5)根据流体热物性和流体阻
12、力等选定流速，然后初步确定通道数。或者反过来也可初步确定通道数再确定流速；(6)计算Re、Pr,查得传热因子/和摩擦系数了,再计算各换热流体换热系数方；(7)计算翅片效率和翅片表面总效率；(8)计算传热系数；(9)确定对数平均温差，或在比热变化很大时用积分平均温差；(10)计算传热面积；(H)确定板翅式单元体的理论长度和实际长度；(12)进行压力校核计算，如超过允许值，则重新假定流速，重复步骤59再计算之。如不满足，再重设(或也可重选翅片型式或几何参数)。不断重复，直至满足条件为止；(13) (13)定板翅式热交换器芯子的实际尺寸。2主表面型换热器的设计步骤(1)由已知参数，根据热平衡方程求未
13、知参数，从而可确定工质物性；(2)计算总的换热量；(3)选定主表面型型式和结构参数；(4)假定一侧的雷诺数，由公式算得该侧的流速；u2u-(5)由公式mfA确定另一侧的流速；(6)由准则关系式计算各侧的努谢尔数N和摩擦系数/；(7)计算两侧的换热系数和传热系数；(8)计算传热面积；(9)由紧凑度和传热面积确定换热器体积；(10)计算换热器的迎风面积；(H)确定换热器的长度；(12)核算换热器压降，如不满足则重新假定换热器的雷诺数，重复步骤48,直至满足所有的压降要求。2.3设计模块设计模块由初参数输入模块、换热面选型模块、流动方式及其他参数输入模块及结果输出模块组成。初参数输入模块包括常规工况
14、下的初参数及虚拟工况下的初参数；换热面选型模块包括标准型面、用户自定义型面及用户预测型面。2.3.1初参数输入模块(1)常规设计常规设计是指输入的初参数是在设计工况下的唯一工况点，它包括冷、热两侧的进出口温度、流量以及压力和压降要求，这样就可根据输入的初参数确定热负荷和阻力，从而选择合适的换热器类型，设计出的换热器在设计工况下效率较高、运行较稳，通常大部分换热器的设计都是指在此工况下的设计。初参数输入界面如图2-6示：(2)虚拟工况设计换热器常规设计的方法是以设计工况点为唯一工况要求而进行的，这样设计出的换热器在设计工况下运行时其效率较高，但在实际工况发生变动时，有可能不能适应一定的工艺要求2
15、8）,而在工业、农业实际生产中，换热器通常是在偏离设计工况下运行的，如工作在一年四季的换热器就经常会受到环境影响而导致运图2-6初参数输入图行工况变动，以及不同工艺要求换热量或者负荷在不同时期具有不同的分配方案等。换热器的柔性29（换热器在小偏离设计工况或其他稳态工况后，能够保持性能不超出工艺要求的性能叫做换热器的柔性）可以衡量换热器的变工况或者偏离设计工况自身适应的能力，其柔性区间（当工况发生小偏离后，换热器的性能仍然能够满足工艺要求的工况区间）是有一定限度的，传统换热器设计不能充分考虑和兼顾多工况的运行特性，造成部分工况换热效果差的缺点，鉴于此，本软件提供了一种基于虚拟工况的换热器设计。所谓虚拟工况，即在众多的运行工况中间，建立一个假想的工况，以此工况作为原始设计依据，使其柔性区间能够
